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植物病害会严重限制作物产量，进而威胁全球的粮食安全。虽然化学手段可以在一定程度上防治植物病害，但是直接种植抗病品种更加环保和经济，因此选育抗病品种是育种工作的重要任务之一。通过传统育种选育抗病性状往往只针对单个效应因子，虽然选育出来的抗病品种对病原体某个小种具有较高的抗性，但是由于选择压力大容易导致病原体的快速筛选，最终导致抗病品种的抗性逐渐降低乃至丧失。为了克服这一问题，选育广谱抗病品种成为关注的重点。广谱抗病品种的广谱抗性（Broad-spectrum resistance, BSR）指的是对一种以上病原体或对同一病原体的大多数生理小种或菌种表现为抗性。由于抗病基因复杂等因素，通过传统育种手段选育广谱抗病品种存在着困难。目前关于广谱抗病的分子研究已有不少报道，但是研究的关注点不同，为了让大家对这些核心关注点有更清楚的了解，小远在此给大家进行汇总，希望对大家有所帮助。
2022年2月，加州大学戴维斯分校Pamela Ronald课题组在PNAS上发表了一篇题为“Plant immunity: Rice XA21-mediated resistance to bacterial infection”的研究论文，该研究发现水稻膜表面的识别受体RLK XA21可以识别水稻黄单胞杆菌（Xanthomonas oryzae pv. Oryzae, Xoo）所分泌的硫酸化微生物肽（RaxX）（图1）。由于RaxX的保守性，因此RLK XA21赋予了水稻对Xoo不同小种的广谱抗性。
图1 RLK XA21识别Xoo中的RaxX模式图(Ercoli et al., 2022) 。
图2 5个R基因插入小麦基因组后赋予小麦对锈病的广谱抗性(Luo et al., 2021)。（A）5个R基因依次连接到载体上；（B）不同株系抗锈病程度（P19、P52以及P60为5个基因片段都插入小麦基因组的株系）。
在PTI和ETI过程中，植物之所以能抵抗病原体的侵染离不开各种信号的传导以及信号分子。因此，许多广谱抗病的研究都关注重要的信号传导过程或信号分子。
对于PTI过程来说，PRR接收PAMPs信号向下传递需要各种激酶调控，例如MAPK通路的各种激酶，通过这些组分将信号级联最终实现抗病基因的激活。ROS是植物广谱抗病过程中的重要分子，其具有强氧化性可以限制病原体的生长。此外ROS还可作为信号分子接收上游组分传递过来的信号并将信号传递给下游。植物中ROS的相关介绍可见往期推文“植物的‘双刃剑’——活性氧”。
2021年6月，浙江大学梁岩课题组在Molecular Plant发表了一篇题为“The receptor-like cytoplasmic kinase RIPK regulates broad-spectrum ROS signaling inmultiple layers of plant immune system”的研究论文，该研究发现RIPK（类受体胞质激酶RCLK VII亚家族成员）可以磷酸化RBOHD从而正向调控ROS的爆发。由于RIPK可以响应不同来源的激发子（触发防卫反应的分子），从而通过ROS爆发介导了拟南芥对多种病原体的广谱抗性（图3）。
图3 RIPK磷酸化RBOHD介导ROS爆发模式图(Li et al., 2021)。
植物免疫过程中，除了ROS爆发这一明显现象之外，Ca“内流导致胞内Ca-含量上升也是植物免疫发生的标志。与ROS可以直接限制病原体不同，Ca”可以通过与其传感器密切配合将信号传递到下游反应。最常见的钙离子通道位于质膜，例如周俭民等人发现的抗病小体ZAR1。
2023年6月，中国科学院遗传与发育生物学研究所周俭民课题组在Cell上发表了一篇题为“WeiTsing, a pericycle-expressed ion channel, safe-guards the stele and confers broad-spectrum resistance to clubroot”的研究论文。该研究中作者发现了拟南芥中的一个根肿病广谱抗性基因WeiTsing（WTS，卫青），该基因编码一个新的钙离子通道蛋白，与之前定位在质膜的钙离子通道蛋白不同，WTS定位于内质网膜。在植物遭受病原体入侵时，WTS可以将Ca2+从内质网中向细胞质中转移，从而激活下游的免疫信号（图4）。将WTS转入油菜后可以赋予油菜对根肿病的广谱抗性。
图4 WTS赋予油菜根肿病广谱抗性模式图(Wang et al., 2023)。
除了ROS和Ca2+两种重要的信号分子外，激素也在植物免疫过程中扮演着重要角色。水杨酸（SA）和茉莉酸（JA）都能在植物受到病原体入侵时激活免疫过程，但是两者的作用方式存在着差异。SA通常参与抵抗活体营养型病原体的入侵，而JA参与抵抗死体营养型病原体的入侵，因此两种激素往往相互拮抗。然而，这两种激素有时也会发生协同作用，共同抵抗病原体，不过相关研究较少。基于两者在SA和JA在抗病中作用的不同，同时上调SA和JA或许可以同时提高植物对活体营养型和死体营养型病原体的广谱抗性。
2023年3月，西南大学裴炎课题组在Plant Communications上发表了一篇题为“Synthetic dual hormone-responsive promoters enable engineering plants with broad-spectrum resistance”的研究论文。为了寻找同时响应SA和JA从而使植物获得对病原体广谱抗性的方法，作者首先筛选响应SA和JA的转录因子并从中选出有强互作的组合，再根据其结合的顺式作用元件改造了一种具有同时响应SA和JA的启动子（图5A、B）。通过这种双响应启动子驱动抗菌肽基因spCEMA的表达可以赋予植物对不同类型的病原体的广谱抗性（图5C-E）。
图5 SA和JA双响应启动子驱动抗菌肽基因spCEMA赋予植物广谱抗性(Li et al., 2023)。（A）响应JA的转录因子AtEREBP和AtMYC1与响应SA的转录因子AtOBF4、AtTGA1a、AtWRKY12、AtMYB1和AtTRF互作强度。星号越多表示互作越强；（B）不同转录因子以及其结合的顺式作用元件的组合；（C-E）双响应启动子驱动抗菌肽基因spCEMA的转基因植物对白粉病、早疫病和黄萎病的抗性。
前文提到的几种信号分子都需要向下传递信号，直到信号落脚到防卫（Pathogenesis-related, PR）基因上，PR所编码的蛋白直接与抗病相关。鉴于PR基因的重要地位，在进行植物抗病相关研究时通常受到关注，通过对这些基因的功能解析，有助于加深对植物广谱抗病的理解。
2024年5月，中国农业科学院植保所宁约瑟课题组在Developmental Cell上发表了一篇题为“The rice E3 ubiquitin ligase-transcription factor module targets two trypsin inhibitors to enhance broad-spectrum disease resistance”的研究论文。作者发现，稻瘟菌侵染水稻时转录因子APIP5的丰度下降，而APIP5可以抑制胰蛋白酶抑制剂基因OsBBTI5和APIP4的表达，这两个基因的表达降低可以促进OsPR1aL（PR基因编码）积累从而提高水稻抗病性。进一步研究发现APIP5的丰度下降是由E3泛素连接酶OsRING113所介导的泛素化所导致的，OsRING113的过表达可以赋予水稻对稻瘟病和白叶枯病的广谱抗性（图6）。
图6 OsRING113介导的泛素化赋予水稻广谱抗性模式图(Zhang et al., 2024)。
在病原体侵染植物时，植物会合成许多次生代谢物，有些代谢物通过直接杀伤病原体等能力增强了植物的抗病性。常见的次生代谢物有黄酮类、酚类、生物碱类以及萜类化合物等。鉴于这些次生代谢物在植物广谱抗病中的重要性，许多研究以这一点为突破口进行深入研究。
2021年12月，海南大学罗杰课题组在Science Bulletin上发表了一篇题为“An Oryza-specific hydroxycinnamoyl tyramine gene cluster contributes to enhanced disease resistance”的研究论文。作者鉴定到了水稻中的次生代谢物羟基肉桂酰酪胺（HT），该次生代谢物的积累可以显著提高水稻对白叶枯病和稻瘟病的广谱抗性（图7A-C）。无独有偶，同一时期该课题组还在该期刊上发表了另外一篇题为“A monocot-specific hydroxycinnamoylputrescine gene cluster contributes to immunity and cell death in rice”的研究论文，该论文讨论了另外一种次生代谢物羟基肉桂酰腐胺（HP），该次生代谢物的积累也可以提高水稻对稻瘟病的抗性。
图7 HT可以提高水稻的广谱抗性(Shen et al., 2021)。（A）HT关键合成基因OsTHT1和OsTHT2的过表达后，对HT合成前体物质tyramine（酪胺）的含量测定。Cin-Tam：cinnamoyl-tyramine；Cou-Tam：p-coumaroyl-tyramine；Caf-Tam：caffeoyl-tyramine；Fer-Tam：feruloyl-tyramine；分别表示不同类型的tyramine；（B、C）过表达OsTHT1和OsTHT2后水稻对白叶枯病和稻瘟病抗性情况。
除了前文提到的广谱抗病的关注点外，有些关注点不太好将其列入上面几种分类中，因此在本部分单独与大家进行分享。这些关注点包括非典型R基因、S基因以及HIGS技术，从这些角度切入也可以进行广谱抗病的研究，还有其他的关注点也欢迎大家补充。
在没有病原体攻击的情况下，植物中的类病斑突变体（LMMs）经历自发的细胞死亡，并在叶片或叶鞘上形成坏死或凋亡样病变，类似过敏反应（HR）的症状。HR反应使植物在反应部位出现细胞快速死亡以及ROS爆发等现象，这可以有效地限制病原体，所以LMMs往往对不同病原体有着广谱抗性。由于与常规的R基因作用方式不同，这类导致LMMs的基因通常被认为是非典型R基因。
2023年6月，华中农业大学李国田课题组在Nature上发表了一篇题为“Genome editing of a rice CDP-DAG synthase confers multipathogen resistance”的研究论文。该研究中鉴定出了一个LMM的基因RBL1，该基因的突变体rbl1表现出类病斑的表型且对不同病原体具有广谱抗性。为了解析其分子机制，作者在稻瘟菌上进一步深入研究，结果发现rbl1突变体中PI(4,5)P2的含量显著减少，这导致稻瘟菌分泌效应因子受阻，从而使rbl1突变体表现出抗稻瘟病。遗憾的是，rbl1突变体在产量方面有较大的损失，为了解决这一弊端，作者通过基因编辑对RBL1进行改造，获得了一个等位基因RBL1Δ12，rbl1Δ12株系表现出对多种病原体的广谱抗性，且产量方面没有明显损失。对于这类非典型R基因在广谱抗病中的潜力，该课题组在Trends in Plant Science上发表了一篇题为“Trans-crop applications of atypical R genes for multipathogen resistance”的综述，其中讲述了非典型R基因在广谱抗病中的功能和调控机制以及在跨作物抗病应用中的巨大潜力，大家感兴趣的可以自行查阅喔。
图8 非典型R基因RBL1参与水稻广谱抗病示意图(Sha et al., 2023)。
2022年7月，西北农林科技大学康振生/王晓杰课题组在Cell上发表了一篇题为“Inactivation of a wheat protein kinase gene confers broad-spectrum resistance to rust fungi”的研究论文。作者发现了小麦中的一个类受体胞质激酶基因TaPsIPK1，在条锈菌侵染小麦时，TaPsIPK1可以被效应因子PsSpg1所劫持。PsSpg1可以促进TaPsIPK1的磷酸化和入核，磷酸化的TaPsIPK1在核中介导转录因子TaCBF1d的磷酸化从而影响了抗病相关基因的转录，从而促进了条锈菌的侵染（图9）。进一步研究发现，TaPsIPK1的敲除可以使小麦具有对锈病的广谱抗性，并且不影响小麦的产量。
HIGS技术原理与基因沉默类似，同样是通过构建发卡载体，最终在细胞内通过形成大量靶向目的基因的siRNA从而引起基因沉默，不同的是HIGS沉默的不是植物本身的基因，而是沉默侵染的病原体中的基因。根据HIGS的原理，通过该技术靶向沉默病原体的某些保守基因或许可以实现植物的广谱抗病。
2022年3月，中国农业科学院植物保护研究所作物线虫和细菌病害监测和防控创新团队在Plant Biotechnology Journal上发表了一篇题为“Host-induced silencing of a nematode chitin synthase gene enhanced resistance of soybeans to both pathogenic Heterodera glycines and Fusarium oxysporum”的研究论文。线虫和真菌含有几丁质合成酶，而植物和脊椎动物没有，因此可以作为潜在的杀虫剂和杀菌剂的靶标。作者为了利用这一靶标，通过HIGS技术沉默大豆孢囊线虫几丁质合成酶基因（SCN-CHS），纯合HIGS转基因大豆表现出对镰刀菌以及不同小种线虫的广谱抗性（图10A-C）。
文章来源：植物生物技术Pbj
